24、以太网与无线测量系统：技术解析与应用探索

以太网与无线测量系统：技术解析与应用探索

1. 以太网计算机网络概述

以太网计算机网络是目前应用最广泛的计算机网络，由施乐和英特尔在上世纪 70 年代初创建，最初传输速度为 3 Mb/s。后来，该网络通过 IEEE 802 标准进行了更新，并逐步扩展了 LLC（逻辑链路控制）和 MAC（介质访问控制）标准，定义了以太网 II 网络。它不仅在公司、政府机构、学校和家庭等场所使用，测量技术的领先制造商也为其设备和系统配备了以太网接口。

1.1 以太网网络的物理层

以太网网络有多种传输系统，每种系统都有其特点，具体如下表所示：
|网络|IEEE 协议|传输速度|传输距离|传输路径|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|10Base2|IEEE - 802.3a|10 Mb/s|200 m|同轴电缆|
|10Base5|IEEE - 802.3|10 Mb/s|500 m|同轴电缆|
|10BaseF|IEEE - 802.3j|10 Mb/s|32 km|多模光纤线路|
|10BaseT|IEEE - 802.3i|10 Mb/s|100 m|屏蔽双绞线路|
|100BaseTX|IEEE - 802.3u|100 Mb/s|100 m|屏蔽四绞线路|
|100BaseFX|IEEE - 802.3u|100 Mb/s|10 km|单模光纤线路|
|100BaseT|IEEE - 802.3u|100 Mb/s|100 m|一对双绞线路|
|100BaseSX|IEEE - 802.3u|100 Mb/s|500 m|多模光纤线路|
|1000BaseCX|IEEE - 802.3z|1 Gb/s|25 m|屏蔽双绞线路|
|1000BaseT|IEEE - 802.3ab|1 Gb/s|100 m|屏蔽四绞线路|
|1000BaseSX|IEEE - 802.3z|1 Gb/s|500 m|多模光纤线路|
|1000BaseFX|IEEE - 802.3z|1 Gb/s|10 km|一对单模光纤线路|
|10GBaseT|IEEE - 802.3ae|10 Gb/s|100 m|屏蔽四绞线路|
|10GBaseFX|IEEE - 802.3ae|10 Gb/s|10 km|四重单模光纤线路|

以下是以太网 10Base - 2 数据网络的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[网络节点 1] -- T 型连接器 --> B(同轴电缆)
    C[网络节点 2] -- T 型连接器 --> B
    D[网络节点 3] -- T 型连接器 --> B
    B -- 终端电阻 --> E(终端)
    B -- 终端电阻 --> F(终端)

1.2 以太网网络的数据传输

在以太网数据网络中，定义了所谓的以太网帧。其结构包括以太网报头（包含接收单元地址、发送单元地址和数据字段长度等信息）、有效负载数据字段和帧控制序列。

MAC（介质访问控制）地址是网络设备的唯一标识符，由 48 位组成，通常表示为六个两位十六进制数，如 01 - 23 - 45 - 67 - 89 - ab。地址分配分为两部分，前半部分由制造商向地址空间的中央管理员申请，后半部分由制造商为每个设备分配唯一值。

不同传输速率的系统支持不同长度的数据传输：
- 传输速率为 10 和 100 Mb/s 的系统允许传输长达 1500 字节的数据。
- 传输速率为 1 Gb/s 和 10 Gb/s 的系统支持更大的帧（巨型帧），长达数万个字节。

帧的最后部分是 CRC（循环冗余校验）校验和，用于检测数据传输或存储中的错误。选择 16 位参考代码时，检测错误的概率约为 0.999985。

1.3 带有 LAN/IEEE - 488 转换器的测量系统

将具有 IEEE - 488 接口的测量设备连接到以太网网络有两种方法：
1. 连接具有 IEE - 488 接口的计算机，再将该计算机连接到以太网网络。此方法需要中央控制计算机和多个从计算机，缺点是需要较多从计算机。
2. 使用 IEEE - 488 - 以太网转换器直接连接设备。例如，泰克公司的 AD007 转换器可实现 10BaseT 网络与 IEEE - 488 接口的数据转换；在 100BaseTx 网络中，可使用该公司的 GPIB - ETERNET/100 转换器，在 IEEE - 488.1 传输协议下传输速率可达 900 kB/s，在 HS - 488 传输协议下可达 1.2 Mb/s。

以下是几种典型以太网 - IEEE - 488 转换器的参数：
|转换器|以太网网络类型|传输速度|计算机操作系统|制造商|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|AD007|10BaseT|未知|Windows 95|泰克|
|GPIB - ENET|10BaseT、100BaseTX|50 kB/s|Windows 95|美国国家仪器|
|GPIB - NET/100|100BaseTX|900 kB/s（IEEE - 488）、1.2 Mb/s（HS - 488）|Windows 2000、Windows ME、Windows XP|美国国家仪器|
|E2050B 2|10BaseT|100 kB/s|Windows 98、Windows ME|安捷伦科技|
|E5810A|10BaseT、100BaseTX|1 Mb/s|Windows 98、Windows 2000、Windows XP|安捷伦科技|

1.4 内置 Web 服务器的测量系统

这些测量系统使用内置的本地 Web 服务器通过以太网网络传输测量数据。本地 Web 服务器可以是计算机的插件卡形式，也可以是单独的模块。

数据通过 TCP/IP 协议在以太网网络上传输，但由于数据可能通过不同路径传输且有不同延迟，不建议在测量或控制动态过程时使用此方法。

以下是一些典型的嵌入式 Web 服务器：
|Web 服务器|以太网类型|接口|内存容量|制造商|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|AVR 460|10BaseT|RS - 232|256 kB|爱特梅尔|
|PICDEM.NET|10BaseT|RS - 232|32 kB|微芯科技|
|C7520|10BaseT、100BaseTX|RS - 232、I2C、Fast SPI|8 MB|IO 有限公司|
|系列 TINI（如 TBM390）|10BaseT|CAN、RS - 232、1 - Wire|1 MB|美信、达拉斯半导体|
|Co - Box - Micro|10BaseT|RS - 232|无数据|朗讯科技|
|WEB - 6590|10BaseT、100BaseTX|RS - 232、USB、IrDA|256 MB|英特尔|

以英特尔 WEB 6590 嵌入式 Web 服务器为例，其包含赛扬 400/650 MHz 微处理器、英特尔 515E(B) 芯片组、16 MB RAM、256 MB SDRAM 数据内存等，通过英特尔 82 560ET 电路连接到 10BaseT 和 100BaseTX 网络。

内置 Web 服务器的设备可以在几乎无限的距离内进行控制和数据传输，同时确保较高的传输可靠性。

2. 无线测量系统概述

无线测量系统能够从远程、难以到达和移动的对象（如车辆、飞机和卫星）收集和传输数据到计算机。与固定数据连接相比，它们通常更具经济优势，因为不需要建设金属或光纤线路，但缺点是传输速度较低且抗干扰能力较弱。

无线数据传输即使在多通道测量系统中也是串行的。使用无线数据传输的测量系统包括：
- 移动电话网络
- 通过无线电调制解调器进行数据传输
- 短距离数据传输系统

前两种类型的测量系统使用全球覆盖的通信系统，可涉及非常遥远的对象。与主要用于音频或视频信号传输的移动电话网络系统不同，具有专用无线电频道的系统专门用于数据传输。短距离无线测量系统除了使用红外光束 IrDA 连接外，还使用蓝牙、Wifi、ZigBee 和 LoRAN 等高频率传输系统。此外，免许可证的 ISM（工业、科学和医学）频段也用于无线数据传输，其专用频段为 2.4 - 2.4835 GHz、5.72 - 5.85 GHz 和 902 - 928 GHz。

2.1 基于移动电话网络的测量系统

移动电话网络经历了多个发展阶段：
|网络代际|频率范围|传输速度|特点|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|1G（GSM）|450 和 900 MHz|最高 9.6 kb/s|仅用于语音传输，典型代表有北欧的 NMT 系统和美国的 AMPS 系统|
|2G|900 MHz 和 1.8 GHz|可传输语音、SMS 短信和短数据消息|美国称为 PCS 服务，日本等亚洲国家称为 JDC。2G 补充 GPRS 后称为 2.5G 代|
|3G（ITU - IMS - 2000）|1.95 和 2.15 GHz|最高 2 Mb/s|可使用公共交换电话网络，后期版本协议可提高传输速度|
|4G|1.95 和 2.15 GHz|固定或慢速设备最高 1 Gb/s，快速移动设备最高 100 Mb/s| |
|5G|410 MHz 至 7.125 GHz 和 2.425 GHz 至 52.6 GHz|最高 20 Gb/s，响应时间小于 1 ms|可实现生产过程的在线控制|

GSM 系统由移动基站和 GSM 控制中心组成。移动台不仅可以是移动电话，还可以是单独的 GSM 模块，可放置在运输工具的监控系统中。

以下是 GSM 系统的 mermaid 流程图：

graph LR
    A(移动基站) --> B(GSM 控制中心)
    C(移动电话) --> A
    D(单独 GSM 模块) --> A

综上所述，以太网计算机网络和无线测量系统在不同场景下各有优势。以太网网络以其高传输速度和可靠性在固定场所广泛应用，而无线测量系统则以其灵活性和便捷性适用于远程和移动对象的数据传输。随着技术的不断发展，它们将在更多领域发挥重要作用。

2.2 基于无线电调制解调器的数据传输系统

无线电调制解调器数据传输系统利用无线电波进行数据的发送和接收。它具有以下特点：
- 灵活性高 ：无需铺设电缆，可在不同地理位置快速部署。
- 覆盖范围广 ：通过调整发射功率和天线等设备，能够实现较广范围的数据传输。
- 成本相对较低 ：相比于建设有线网络，前期设备投入和后期维护成本都较低。

在实际应用中，无线电调制解调器数据传输系统的操作步骤如下：
1. 设备选型 ：根据传输距离、数据速率、环境条件等因素选择合适的无线电调制解调器。
2. 安装与配置 ：将调制解调器安装在合适的位置，并进行参数配置，如频段、发射功率、通信协议等。
3. 连接设备 ：将需要传输数据的设备与调制解调器进行连接，确保数据能够正常输入和输出。
4. 测试与优化 ：进行数据传输测试，根据测试结果对系统进行优化，如调整天线方向、增加中继设备等。

2.3 短距离数据传输系统

短距离数据传输系统主要用于近距离设备之间的数据交换，常见的技术包括蓝牙、Wifi、ZigBee 和 LoRAN 等。

技术名称	传输距离	传输速率	特点
蓝牙	一般 10 米左右	最高 3 Mb/s	低功耗、设备连接方便，常用于手机、耳机等设备
Wifi	室内可达几十米，室外可达上百米	最高可达数 Gb/s	高速传输、覆盖范围广，广泛应用于家庭、办公室等场所
ZigBee	几十米到几百米	250 kb/s 左右	低功耗、自组网能力强，常用于智能家居、工业监控等领域
LoRAN	几公里到几十公里	较低，根据距离和环境而定	远距离、低功耗，适用于物联网大规模设备连接

以下是短距离数据传输系统的 mermaid 流程图：

graph LR
    A(设备 1) -- 蓝牙 --> B(设备 2)
    A -- Wifi --> C(无线路由器)
    C -- Wifi --> D(设备 3)
    A -- ZigBee --> E(ZigBee 网关)
    E -- ZigBee --> F(设备 4)
    A -- LoRAN --> G(LoRAN 基站)
    G -- LoRAN --> H(设备 5)

2.4 无线测量系统的应用案例

无线测量系统在多个领域都有广泛的应用，以下是一些具体案例：
- 工业监测 ：在工业生产中，使用无线测量系统可以实时监测设备的运行状态、温度、压力等参数，及时发现故障并进行维修，提高生产效率和安全性。例如，通过在工厂的机械设备上安装无线传感器，将数据传输到监控中心，实现对设备的远程监控和管理。
- 环境监测 ：在环境监测领域，无线测量系统可以用于监测空气质量、水质、土壤湿度等环境参数。通过在不同地点部署无线传感器节点，将数据传输到数据中心进行分析和处理，为环境保护和决策提供依据。
- 交通运输 ：在交通运输领域，无线测量系统可以用于车辆的定位、导航、状态监测等。例如，通过在汽车上安装 GPS 定位系统和无线通信模块，实现车辆的实时定位和跟踪，同时可以将车辆的行驶数据传输到交通管理部门，提高交通管理效率。
- 医疗保健 ：在医疗保健领域，无线测量系统可以用于远程医疗监测，如监测患者的心率、血压、血糖等生理参数。通过在患者身上佩戴无线传感器设备，将数据传输到医疗机构，医生可以实时了解患者的健康状况，及时进行诊断和治疗。

3. 以太网网络与无线测量系统的对比与融合

3.1 对比分析

以太网网络和无线测量系统在多个方面存在差异，具体对比如下：
|对比项目|以太网网络|无线测量系统|
| ---- | ---- | ---- |
|传输介质|电缆或光纤|无线电波|
|传输速度|高，可达 10 Gb/s 甚至更高|相对较低，不同技术有所差异|
|可靠性|高，受外界干扰小|相对较低，易受环境因素影响|
|灵活性|较差，需要铺设电缆|高，无需铺设电缆，可灵活部署|
|覆盖范围|受电缆长度限制|可根据技术和设备调整覆盖范围|

3.2 融合趋势

随着技术的发展，以太网网络和无线测量系统呈现出融合的趋势。这种融合可以充分发挥两者的优势，满足不同场景的需求。例如，在工业自动化领域，将以太网网络用于车间内设备之间的高速数据传输，同时使用无线测量系统对移动设备和远程设备进行数据采集和监控。

融合的操作步骤如下：
1. 需求分析 ：明确应用场景和需求，确定需要融合的功能和数据。
2. 技术选型 ：选择合适的以太网设备和无线技术，确保两者能够兼容和协同工作。
3. 系统设计 ：设计融合系统的架构和拓扑结构，包括设备连接方式、数据传输路径等。
4. 设备集成 ：将以太网设备和无线设备进行集成，配置相应的参数和协议，确保数据能够在两者之间顺利传输。
5. 测试与优化 ：对融合系统进行测试，检查数据传输的准确性和稳定性，根据测试结果进行优化。

4. 未来发展趋势

4.1 以太网网络的发展趋势

• 更高的传输速率 ：随着数据量的不断增加，以太网网络将向更高的传输速率发展，如 400 Gb/s 甚至更高。
• 智能化管理 ：引入人工智能和机器学习技术，实现网络的智能化管理和优化，提高网络的性能和可靠性。
• 与其他技术融合 ：与 5G、物联网等技术深度融合，拓展应用场景和服务范围。

4.2 无线测量系统的发展趋势

• 低功耗与长续航 ：进一步降低设备功耗，延长电池续航时间，满足物联网大规模设备的需求。
• 更高的安全性 ：加强数据加密和身份认证技术，提高无线测量系统的安全性。
• 更广泛的应用领域 ：在智能家居、智能城市、医疗保健等领域得到更广泛的应用。

综上所述，以太网计算机网络和无线测量系统在现代信息技术中都扮演着重要的角色。它们各自具有独特的优势和适用场景，通过对比和融合，可以更好地满足不同用户的需求。随着技术的不断进步，它们将在未来的发展中不断创新和完善，为各行各业带来更多的便利和机遇。